Микробные препараты для сельского хозяйства / Тема 2

Тема 2 Инфекционные болезни насекомых

1. Общие понятия о патологии насекомых.

2. Особенности развития инфекционных заболеваний насекомых. Внешние признаки болезней, изменения в тканях тела зараженного организма.

3. Причины патогенности микроорганизмов.

4. Эпизоотии насекомых.

1. Во взаимоотношениях между микроорганизмами и их хозяевами необходимо различить понятия «инфекционность», «патогенность» и «вирулентность».

Под инфекционностью понимается способность микроорганизма существовать в определенном хозяине, а также способность возбудителя заболевания переходить от одного хозяина к другому.

Патогенность — потенциальная способность такого организма причинить своему хозяину ущерб, вызвать болезнь. Патогенность – это видовой признак, который закреплен генетически и используется в таксономии как один из критериев идентификации. Патогенность не является исключительным свойством бактерии, а есть результат взаимоотношений микроорганизма и его хозяина, иммунный статус которого «разрешает» тот или иной патогенез инфекции. Патогенность характеризуется специфичностью, т.е. способностью вызвать типичные для данного вида возбудителя патоморфологические и патофизиологические изменения в определенных тканях и органах при естественных для него способах заражения.

Вирулентность – синонимичный патогенности термин, иногда его определяют как меру патогенности. Часто термин «патогенность» используется в отношении микробных видов, а «вирулентность» в отношении штаммов внутри видов. Среди представителей некоторых видов патогенных микроорганизмов могут встречаться высоковирулентные штаммы, способные вызвать гибель объектов при поражении несколькими микробными клетками, и штаммы с пониженной вирулентностью, летальные дозы которых выражаются сотнями тысяч или миллионами единиц. Таким образом, в зависимости от фенотипической выраженности патогенного потенциала конкретный представитель (штамм, клон, вариант) патогенного или условно-патогенного вида может быть высоко-, умеренно- или маловирулентным. Чем более патогенен микроорганизм, тем большие повреждения и нарушения он вызывает у макроорганизма. Чем менее способен организм хозяина предотвратить эти нарушения, тем тяжелее протекает инфекция, тем более выражено проявление болезни. Количественную оценку вирулентности микроорганизмов можно выразить минимальной летальной дозой, которая равняется наименьшему количеству микробных клеток, вызывающих 50 или 95 % гибели (LD50, LD95) или временем от заражения подопытных насекомых до гибели определенного процента особей (LT50, LT95).

Адаптировать микроорганизм к организму того или иного вида значит сделать данный микроорганизм для него патогенным. Однако известны так называемые авирулентные или апатогенные штаммы возбудителей инфекций (например, их вакцинные штаммы), способные размножаться в организме хозяина, не причиняя ему вреда. Это явление можно рассматривать как взаимную адаптацию микро- и макроорганизма.

Микроорганизмы способны не только утрачивать патогенность, но и приобретать ее. Об этом свидетельствует то обстоятельство, что многие факторы патогенности бактерий детерминируются генами, локализованными в плазмидах или мобильных элементах, способных к внутривидовому и к межвидовому обмену.

2. Болезнью следует считать такие изменения нормальных, присущих большинству особей, функций организма, которые могут привести ту или иную особь к смерти. Внешне эти изменения обычно проявляются в отклонениях, выражающихся в форме, размерах и окраске тела, в изменении гистологического строения и химического состава органов, что вызывает изменение их физиологических свойств.

В зависимости от факторов, которые вызвали заболевание, можно и у насекомых различать болезни инфекционные и неинфекционные. Инфекционные болезни насекомых вызываются различными организмами, такими, как бактерии, вирусы и грибы. Инфекционное начало этих организмов активно распространяется от одной особи к другой и интенсивность такого распространения сильно зависит от численности популяции и частоты контактов особей с источником инфекции. Неинфекционные болезни, поражающие организм насекомого, вызываются физическим или химическими факторами. К этой группе неинфекционных болезней насекомых относятся и заболевания, вызываемые голоданием, а также болезни, вызываемые неподходящей пищей. Воздействие всех таких факторов мало зависит от численности популяции насекомых. Степень и характер поражения популяции этими факторами обычно одинаковы в разных местах ареала вида. Главным отличительным признаком неинфекционных болезней является то, что они не передаются от больной особи здоровой.

Второй группой факторов, которые вызывают затруднения при диагностике болезней, являются симбионты насекомых. Эти организмы — бактерии, риккетсии или дрожжи, постоянно обитающие в определенных частях тела насекомого, вызывают, образование тканей особого типа не имеющих дегенеративного характера, из которых такие микроорганизмы-симбионты далее не распространяются. Воздействие некоторых антибиотиков или содержание хозяина при повышенной концентрации кислорода приводит к тому, что симбионты, обитающие в полостях тела, иногда редуцируются и исчезают. Без симбионтов многие насекомые-хозяева не могут существовать и погибают.

Переходными формами между случайными обитателями в теле насекомых и патогенными для них организмами является ряд возбудителей болезней, переносимых насекомыми с одного животного на другое или с растения на растение в тех случаях, когда в процессе переноса возбудители таких болезней находятся в различных частях пищеварительного тракта или в слюнных железах насекомых.

Итак отличительной чертой инфекционных болезней является то, что они передаются от больной особи к здоровой в результате переноса заразного начала. Чаще всего инфекция передается с пищей, а иногда при непосредственных контактах (грибные болезни), трансовариально или переносчиками.

Внешние видимые изменения—признаки болезни — помогают отличать зараженных особей от здоровых. Наиболее очевидные и надежные признаки заражения проявляются в изменении движений насекомых, в изменении окраски их тела, размеров и формы, поглощения пищи и поведения зараженных особей.

Изменения в движениях возрастают с развитием болезни. При всех заболеваниях, в течение которых постепенно разрушаются все новые и новые участки тканей, движения постепенно ослабевают, зараженные особи перестают передвигаться и остаются на месте до своей гибели. Прекращение движения больных насекомых наблюдается при бактериальных заражениях и часто наступает лишь за несколько часов, иногда за два дня (при слабом заражении B. thuringiensis) до гибели. При заражении вирусами движения прекращаются непосредственно перед гибелью, так как полиэдры образуются одновременно во всех восприимчивых клетках тела, и поэтому функции тканей прекращаются также синхронно. Прекращение движения происходит и при заражении грибными возбудителями за 2—3 дня перед полным развитием гриба в теле насекомого, а при заражении грибом Веаuveriа — даже за неделю до гибели.

Некоторые заболевания вызывают определенные перемещения зараженных особей. Насекомые, которым свойственны суточные миграции, как, например, гусеницы монашенки или кольчатого шелкопряда, при заражении полиэдрозом собираются группами обычно в верхней части заселенной ими ветки. Это объясняется тем, что в течение ночи гусеницы заползают на вершины веток, а утром спускаются вниз к развилкам. В связи с тем что большинство гусениц, зараженных полиэдрозом, погибают вечером или утром, они остаются висеть у верхушек веток, а еще здоровые гусеницы сползают по ветке вниз. У насекомых, обитающих в воде, зараженные особи обычно менее подвижны, и поэтому они держатся у дна водоема или же течение сносит их под камни, в заросли травы и т. п.

Изменение окраски тела у живых насекомых можно наблюдать лишь на тех видах и стадиях, хитиновый покров которых позволяет различать изменения в окраске, происходящие во внутренних тканях. Грибные заболевания сопровождаются тем, что зараженные особи приобретают розоватую окраску, при этом пораженное тело насекомого несколько затвердевает и приобретает творожистую консистенцию. Некоторые болезнетворные грибы придают зараженным насекомым цвет своих спор — желтоватый, зеленоватый или коричневый. Вирусные болезни также иногда вызывают изменения окраски тела насекомых. Гусеницы тутового шелкопряда, больные полиэдрозом, имеют интенсивно желтую окраску. Гранулез американской белой бабочки сопровождается необычно белым окрашиванием гусениц.

Только поранения и грибные заболевания вызывают появление черных пятен на теле живых насекомых. При поранениях возникающих в результате сосания клещей, проколов паразитическими насекомыми или в местах внедрения нематод, образуются круглые черные пятнышки, часто со светлым кружком в центре. Такие пятна позже не увеличиваются в размерах, они вызваны тем, что гемолимфа непосредственно в месте прокола окислилась и почернела под действием кислорода воздуха, проникшего под кожный покров через прокол. При заражении грибами особенно, Веаuveriа bassiana черные пятна неправильной формы образуются на теле насекомых в местах оседания спор гриба, прорастающих внутрь тела. Такие черные пятна увеличиваются в размере по мере прорастания и внедрения в тело насекомого новых и новых спор.

Потемнение окисленной гемолимфы служит также признаком бактериальной септицемии гусениц тутового шелкопряда. Другие возбудители болезни, как, например Bacillus popilliae, наоборот, препятствуют почернению гемолимфы зараженных насекомых. Проникновение этих бактерий в гемолимфу приводит к появлению молочно-белого цвета личинок японского хруща.

В ряде случаев под влиянием инфекции происходит укорачивание и мумификация тела зараженных насекомых, что объясняется повреждениями пищеварительного тракта и недостатком корма. При инфекциях, поражающих кишечный тракт — кишечный пиолиэдроз, отравление токсином B. thuringiensis, повреждения эпителия риккетсиями или простейшими, происходит прекращение питания или снижение его до минимума, так как эпителиальные клетки кишечника полностью или в большинстве уничтожены и распались. В начальный период болезнь сопровождается частыми рвотами и выделением разжиженных и даже жидких экскрементов, нередко заключенных в выпадающую перитрофическую оболочку и содержащих очень много плазматических элементов. Экскременты больных гусениц часто присыхают к заднему концу тела и не сбрасываются даже при передвижении особи.

Большинство возбудителей болезней насекомых специфичны для определенных тканей тела или же вначале заражается какая-либо одна ткань, а затем инфекция распространяется на другие органы. Восприимчивость разных тканей насекомого к данному виду возбудителя предопределяет развитие инфекции, которая может быть общей или локализованной в каком-либо одном участке тела хозяина. Необходимо указать, что болезнь у насекомых вообще от момента проникновения инфекции в тело, развиваясь более или менее интенсивно, заканчивается гибелью хозяина, тогда как у млекопитающих часто возникают защитные процессы, и в конечном итоге больной организм можёт освободиться от инфекции. Время от проникновения инфекции в организм до проявления видимых признаков болезни называется инкубационным периодом. Поскольку заражение насекомых обнаруживают только по объективным признакам (цвет, форма тела, движения), в ряде случаев первым видимым признаком болезни является уже гибель хозяина или же образование в его теле полиэдров при вирусных заболеваниях, образование разных стадий грибов на покровах тела и т. п.

При острых формах инфекции болезнь, от момента заражения до гибели хозяина протекает с постоянным возрастанием интенсивности развития патогенного фактора и степени поражения им хозяина. При хронических инфекциях, когда в больном организме происходит частичное восстановление, замена пораженных тканей (их регенерация), болезнь протекает медленнее и скорость ее развития зависит от того, как быстро возбудитель болезни поражает вновь образовавшиеся, ткани. Выровненная, нормальная для развития насекомых среда, ограничивает развитие микроорганизмов — возбудителей болезней — и они причиняют хозяину лишь небольшой вред, но такое равновесие может быть нарушено каким-либо внешним фактором, который воздействует в том или ином направлении и активизирует сопротивляемость хозяина или стимулирует переход возбудителя к большей активности. Одним из примеров хронического заболевания, при котором хозяин и его паразит долгое время находятся в состоянии равновесия, является так называемая латентная инфекция — трудно обнаруживаемое заражение при болезнях, возбудителями которых являются вирусы. Такие инфекции не проявляют себя в организме насекомого в течение очень долгого периода, даже нескольких поколений.

Развитие латентных инфекций активируется каким-либо внешним воздействием. В связи с тем, что такого рода болезнь может быть присуща насекомым, обитающим на широких территориях, имели место случаи, когда при активации вирусной инфекции насекомые погибали почти одновременно в огромном количестве на сотнях гектаров и даже больших пространствах.

У насекомых, не находящихся в диапаузе и поглощающих пищу, разложение тканей тела, приводящее к смерти, всегда начинается с кишечника. Кишечник насекомых, их средняя кишка, является главной областью, где происходит переход микроорганизмов в другие органы тела. В нормальном состоянии эпителиальные клетки регенерируют, обновляя стенки кишечника; в начале средней кишки создается перитрофическая мембрана, образующая сквозной канал, по которому проходит пища. Перистальтические движения кишечника перемещают пищу по этому каналу к заднему его концу, и в это время частицы пищи соприкасаются эпителием кишечника. Мембрана кишечника фильтрует и всасывает продукты в результате пищеварения, препятствует возникновению скоплений бактерий на стенках кишечника и избыточного накопления метаболитов. Заражение кишечного эпителия затрудняет регенерацию эпителия и образование перитрофической мембраны, вследствие чего затрудняется резорбция питательных веществ и секреция пищеварительного сока. Метаболиты бактерий (и продукты нормальной деятельности кишечника) накапливаются и оказывают тосическое воздействие на его эпителий. Эпителий разрушается, от него отделяются отдельные клетки и в результате образуются отверстия, открывающие бактериям доступ в полость тела насекомого. Бактерии проникают в гемолимфу и в клетки эпителия, вызывая сепсис и гибель особи. Таков механизм действия, например, эндотоксинов B. thuringiensis.

Поражение жирового тела отличается обычно длительным течением болезни и проявляется лишь перед окукливанием, в процессе окукливания или при формировании яичников у взрослых особей. Инфекционные бактерии не находят в жировом теле пригодных условий для развития. При заражении насекомых грибами происходит растворение жирового тела и других тканей протеолитическими ферментами, выделяемыми грибами, например рода Entomophtora.

Мускульные ткани, нервная система и соединительные ткани насекомых повреждаются возбудителями болезней аналогично тому, как это описано для кишечника и жирового тела. Происходит разрушение отдельных клеток или постепенное дегенерация целых участков тканей под влиянием паразита. Инфекция влияет на функции тканей, а тем самым и на организм в целом (реакция на раздражение, прекращение двигательных реакций), но смерть хозяина наступает уже после распада кишечника.

Заражение яичников происходит в большинстве в итоге общей инфекции, когда уже заражены остальные органы насекомого. Заражению подвержены только питательные клетки, которые при этом дегенерируют. Поражение некоторыми вирусными инфекциями (ядерным полиэдрозом) не приводит к образованию в яичниках видимых форм возбудителя (полиэдров), а инфекция переходит в яйцо в форме провируса в хроматине яйцеклетки.

Заражение мальпигиевых сосудов вызывают главным образом простейшие и нематоды, в результате чего не выделяются из тела насекомого ураты и нарушается нормальная деятельность всех органов зараженной особи. Заражение реабсорбционной части сосудов затрудняет всасывание воды из секретов и тело насекомого обедняется водой.

Клетки гемолимфы также могут заражаться возбудителями. Так, вирусные заболевания могут сопровождаться образованием в ядре лимфоцита стромы с полиэдрами, кторая постепенно распадаясь, выделяет полиэдры в гемолимфу.

3. Чтобы микроорганизм, проникший в тело хозяина, проявил себя как патоген, он должен поражать организм хозяина, воздействуя на него химическим и механическим путем. Из химических воздействий наименее агрессивны такие процессы, при которых микроорганизм лишь отнимает у хозяина часть пищи и выделяет продукты своего обмена – метаболиты, токсичные в определенных количествах. Влияние метаболитов весьма отчетливо проявляется у спорулирующих микробов, в этих случаях из оболочек клеток сразу освобождаются все накопленные в них метаболитов.

Многие микроорганизмы вырабатывают токсины, вызывающие заболевания насекомых. Это эндотоксины, остающиеся внутри клетки бактерии, или экзотоксины, выделяемые в питательную среду. Эндотоксины в виде кристаллического или аморфного включения образуют такие бактерии как B. thuringiensis, B. popilliae, B. laterosporus. Известно, что B. thuringiensis образует ряд екзотоксинов, не специфичные для насекомых и обладающие функциями ферментов – лецитиназы, протеазы и др. Некоторые плесневые грибы также образуют ферменты, растворяющие ткани насекомого.

Механические повреждения сочетаются с химическими в тех случаях, когда происходит лизис тканей зараженного органа и места их распада заполняются разными стадиями развития паразита. При дальнейшем росте проявляется давление массы паразита на другие ткани хозяина, нарушается структура тканей и их функции, происходят разрывы и деформации тканей. Степень всех этих разрушительных воздействий паразита зависит от его вирулентности.

3. Эпизоотия – массовое заболевание организмов, обусловленное активностью патогена или ослаблением популяции. Основной характеристикой эпизоотии является разновременность возникновения в пространстве инфекционной болезни среди чувствительных организмов. Это свидетельствует о передаче инфекции от больной особи к здоровой. Эпизоотии могут вызвать наиболее контагиозные патогены – энтомопатогенные вирусы, энтомофторовые грибы, нематоды и простейшие.

Развитие всякой эпизоотии зависит от трех главных факторов: возбудителя болезни, насекомого-хозяина и путей передачи инфекции.

Возбудитель болезни. Значение этого фактора проявляется в целом ряде свойств - вирулентность, изменчивость и приспосабливаемость к данному хозяину. Большое значение имеет устойчивость покоящихся стадий возбудителя к неблагоприятным воздействиям внешней среды. Так, на­пример, некоторые хитридии и их зооспоры сохраняют жизнеспособность всего несколько часов, в то же время споры дейтеромицетов могут сохраняться несколько месяцев, споры простейших—более года, а споры бактерий — даже более 10 лет. Подобной устойчивостью обладают и полиэдры вирусов, в то время как свободные вирусные палочки погибают уже в течение нескольких десятков минут. Следующими факторами, влияющими на патогенные свойства возбудителя, являются его устойчивость к ультрафиолетовым лучам, жаркой сухой погоде, легкость разнесения (легкая отделимость от субстрата, небольшой удельный вес, парение); длительность развития болезни и периода от заражения до образования первых покоящихся стадий. Серьезное значение имеет специфичность болезни для определенного вида или ограниченного числа видов хозяев. Чем обширнее круг видов хозяев возбудителя, те больше вероятность его переноса и сохранения в биотопе.

Хозяин. Вирулентности паразита противостоит устойчивость организма хозяина, которая, в свою очередь, может быть ослаблена физическими и химическими факторами. Хозяин распространен в биотопе не равномерно, а обычно концентрируется в отдельный местах (нишах), где имеются особо благоприятные жизненные условия - защита от неблагоприятных воздействий, наличие корма и т. п. В этих нишах возникают также и очаги болезней насекомых, в связи с тем, что оптимальные условия в нишах привлекают в них все новых и новых здоровых особей, как только погибнут зараженные. В очагах болезней инфекция сохраняется до начала нового массового размножения и все пространство вокруг очагов болезней не заселяется незараженными особями. Затем вновь происходит распространение болезни — передача инфекции от больных особей здоровым, интенсивность развития болезни возрастает, переходя в эпизоотию, приводящую через определенное время к гибели значительной части особей популяции. В разреженной популяции условия для контактов особей ухудшаются, вспышки болезни затухают и уцелевшие немногочисленные особи постепенно с больших площадей концентрируются в ограниченных по размерам нишах.

Теоретически каждый возбудитель болезни имеет своего хозяина, в котором он вызывает скоротечную болезнь с высокой смертностью, и такая болезнь могла бы исчезнуть лишь в том случае, если бы за короткое время погибали все восприимчивые особи, а оставшись без пищи, погиб бы и сам возбудитель. Другие хозяева менее пригодны для развития возбудителя, болезнь развивается в них медленнее, и процент смертности ниже. Подлинными постоянными носителями инфекции являются те хозяева, у которых болезнь носит хронический характер или же передается потомству через ряд стадий развития, в особенности трансовариально. В зависимости от того, какие хозяева представлены в биотопе, образуются очаги инфекции — постоянные или временные, стабильные или расширяющиеся по площади. Могут встречаться также очаги, характеризующиеся теми или иными типами инфекции: с типичными острыми инфекциями, с нетипичными формами болезни на случайных вторичных хозяевах, с летальными или латентными инфекциями и со здоровыми носителями инфекции (например, хищные насекомые, другие членистоногие и даже позвоночные), которые разносят инфекцию, сохраняющуюся в их кишечнике, где споры грибов, полиэдры вирусов не погибают.

Пути передачи инфекции. Главными источниками заражения служит передача инфекции от больных насекомых здоровым при непосредственном контакте, а также с зараженной пищей, т. е. перорально. Этот способ перезаражения установлен для всех типов болезней насекомых; но наряду с этим встречаются и другие специфические пути передачи инфекции, как, например, передача болезни потомству в результате загрязнения поверхности яйца, передача трансовариальным путем, когда вирусы или простейшие проникают внутрь яйца еще в теле самки и развиваются в нем одновременно с развитием зародыша. Передача грибных бактериальных болезней и риккетсий таким путем не происходит. У некоторых групп насекомых довольно часто инфекция переносится при уколе яйцекладом паразитических насекомых. Классические примеры такой передачи инфекции известны для простейших, вирусов, бактерий и риккетсий. Передача грибных болезней яйцекладом паразитов мало вероятна, однако эти болезни легко, передаются при простом прикосновении насекомых, а также грибные споры легко распространяются ветром. Возбудители болезней насекомых, обитающих в водной среде, распространяются с водными потоками.

Вспышки массового размножения насекомых (градации) являются циклами, связанными с массовыми эпизоотиями данного вида. Вспышки массового размножения насекомых в природе имеют определенную последовательность и повторяются через определенные периоды времени. У некоторых видов (например, у монашенки, непарного шелкопряда, свекловичного долгоносика и других) этот рост массового размножения продолжается несколько лет, причем в течение 2—3 лет не наблюдается поражений популяции какими-либо болезнями. Размножившиеся в огромных количествах гусеницы полностью объедают деревья, кустарники и другие растения, многие из гусениц погибают от недостатка пищи, однако в этот период еще невозможно найти хотя бы одну гусеницу, больную полиэдрозом, микозом или микроспоридиозом. На третий год начинают появляться болезни и паразиты, но процент гибели насекомых популяции еще не столь значителен. На четвертый или пятый год обычно достигается не только максимум массового размножения, но и начинается массовая гибель насекомых. Практически в это время бывает заражено около 100% гусениц и на многих сотнях гектаров леса невозможно было найти ни одной здоровой гусеницы. На следующий или в тот же год происходит резкий перелом в численности вредителей. Они полностью исчезают в зараженной местности и в течение ближайших 2-3 лет в ней нельзя обнаружить не только самих вредителей, но даже следов их деятельности. В последующий период численность вредителя минимальна, составляя так называемый минимальный резерв. После ряда лет вновь начинается период, предшествующий массовому размножению («вспышке»), с интенсивным размножением насекомых на отдельных ограниченных площадях, затем быстрый рост градации на обширной территории до максимума, а затем вновь резкий спад численности популяции насекомых, когда почти все 100% оставшихся особей бывает поражено болезнями или паразитами. Вспышки массового размножения непарного шелкопряда повторяются через 10—13 лет, у других видов через более короткие промежутки времени. Таким образом, спонтанные эпизоотии – это важнейшие биотические факторы регулирования численности популяций вредителей.